固體還是液體 玻璃的身份至今懸而未決
2017年08月18日09:55

  清晨的陽光透過玻璃窗灑在臉上,音樂響起,手指在手機玻璃屏上輕劃關掉鬧鍾,悠悠的奶香從餐桌上的玻璃杯中溢出,喚醒新的一天……生活中,人們早已對玻璃態物質習以為常,但是你可能不知道,這些幾乎隨處可見的“玻璃”卻一直困惑著物理學家,就連一向高冷的《科學》雜誌,也曾將“玻璃態物質的本質是什麼”列為125個最具挑戰性的科學前沿問題之一。

  是固體還是液體傻傻分不清

  玻璃有形狀且堅硬,具有固體的屬性。但奇怪的是其原子排列方式卻與液體的無序排列如出一轍。

  眾所周知,固體有固定的形狀,液體沒有確定的形狀;此外,一部分固體擁有組織非常嚴密的原子結構,原子有規則地、週期性排列,而且這種規則有序的結構比較穩定。相比之下,液體中的原子排列則較為混亂,它們不規則聚集在一起,原子的位置不斷變化。

  而玻璃有形狀且堅硬,具有固體的屬性。但奇怪的是其原子排列方式卻與液體的無序排列如出一轍。也就是說,從表面上看,玻璃更像是固體,但內部原子排列卻很像液體。

  有專家認為,自然界中的固體物質,按照其微觀結構的特點,可大致分為兩類:一類的原子或粒子排列整齊有序,就像閱兵式的方陣,即晶態固體;另一類的原子或粒子排列混亂無序,就像大街上熙熙攘攘的人群,即非晶態固體。而玻璃就是一種典型的非晶態固體。

  8月15日,中國科學院物理研究所汪衛華院士在接受科技日報記者採訪時說:“實際上,玻璃是原子運動得很慢的液體。液體的原子不停地在動,但玻璃裡面的原子移動極其緩慢,要比一般液體中原子運動慢20―30個量級。”為了說明一般液體中原子運動速度與玻璃中原子運動速度的巨大差距,汪衛華做了一個形象的比喻:“原子在一般液體中移動的速度比火箭還要快,而在玻璃中運動的速度比蝸牛還要慢。”

  美國科學家菲利普・吉布斯在刊登於加州大學河濱分校數學系主頁上的《玻璃是固體還是液體?》一文中也指出,從分子動力學和熱力學的某些角度來說,玻璃可以看成是高黏度的液體,是無定形固體,或是既不是液體也不是固體的另一態。

  形態轉變過程令人摸不著頭腦

  在玻璃從液體轉變為類似固體的玻璃態的過程中,我們遇到了一種奇怪的現象――類似液體原子那種不規則的排列被神奇地固定了下來。

  除了玻璃到底是固體還是液體傻傻分不清外,玻璃從液體轉變為類似固體的玻璃態的過程也令人摸不著頭腦。美國華盛頓大學聖路易斯分校物理學家肯尼斯・凱爾頓表示:“4000年前,生活在美索不達米亞的人就開始使用玻璃,但我們至今仍不完全瞭解液體如何變成玻璃的過程。這是最有趣的動力學過程之一。”

  一些材料從液體變為固體時,其原子會以高度規則的模式進行排列,這種排列被稱為“晶格”。也就是說,這些物質處於液體狀態時,原子可以自由移動,然後在某個時刻原子會突然發現自己被困住了,於是一種有規則的晶格排列就形成了,這個過程被稱為“晶化”。鋼水在冷卻變為固體鋼的過程中,就發生了這種變化。

  但是從熾熱的液體轉變為玻璃的過程中,不斷運動的玻璃原子並沒有突然被困住,而是隨著溫度的下降速度逐漸放緩,最終這些原子仍呈現類似液體的那種不規則排列。換句話說,在玻璃身上我們遇到了一種奇怪的現象――類似液體原子那種不規則的排列被神奇地固定了下來。

  汪衛華表示,雖然玻璃中的原子在一定程度上隨機排列,但它們實際上要比表面看起來更為穩定。絕大多數原子可能被它們的“鄰居”禁錮在一定位置。那麼玻璃中的原子是如何緩慢運動的?換句話說,玻璃是怎樣流動的呢?這也是凝聚態物理和材料科學的未解之謎。目前的研究表明,如果一個原子要移動,其周圍的原子也不得不發生移動。就像你要從極其擁擠的公共汽車上下來,其他乘客必須也要移動讓開一樣。玻璃原子的緩慢移動涉及其內部大量原子的共同移動,但它們的移動方式仍然不清楚。

  關於玻璃原子如此“任性”的推測

  鄰近粒子形成“籠子效應”,因為籠子的囚禁和限製,玻璃粒子的無序排列狀態被保存下來;島狀物阻止液體變成固體;玻璃原子構成了二十面體結構而無法形成結晶。

  在玻璃形成過程中,類似液體那種不規則的排列,究竟是怎麼被固定下來的?對於這個懸而未決的問題,科學家們提出了許多理論來解釋。

  1959年,美國芝加哥大學的科學家科恩等提出了自由體積理論。該理論認為液體中存在著許多原子排布所必需體積之外的多餘體積,這些體積可以無需附加能量而重新分佈,因此被稱為自由體積。隨著液體溫度的降低,原子所擁有的自由體積逐漸降低,當自由體積降低到某個臨界值以下時,玻璃即形成。但如何嚴格定義並對自由體積加以測量實際上做不到。

  20世紀80年代出現的模態耦合理論被認為是描述玻璃轉變最有用的理論。模態耦合理論的物理圖像可以歸結為“籠子效應”:液體中的每個粒子都位於由其近鄰粒子所形成的籠子裡,籠子的壽命隨溫度的降低而增加。溫度接近某個臨界溫度時,籠子的壽命將趨於無限大。在具有高流動性能的液體中,粒子除了在籠子中做常規的振動和隨機“遊動”外,其所在的籠子位置也同時隨著周圍粒子的重排而改變,即粒子除了在籠子中振動外,還將改變其所在的籠子作隨機擴散運動。當溫度低於臨界溫度時,籠子的壽命無限大,使得液態凍結成玻璃時,因為籠子的囚禁和限製,其粒子的無序排列狀態被保存下來。

  除了這些理論之外,科學家們在試驗中也對這個問題有一些發現。美國物理學家凱爾頓及其團隊進行的早期實驗顯示,原子以有序結構聚集在一起可形成島狀物。這些島狀物似乎可以阻止液體變成固體,讓液體原子保持一種較為混亂的狀態。但對於島狀物如何發揮作用或者是否所有玻璃中都存在這種現象,研究人員並沒有達成一致。

  英國布里斯託大學的帕特里克・羅亞爾等人在實驗中,為了觀察微觀玻璃原子的真實運動情況,利用較大的膠體微粒模擬玻璃原子,並用高倍顯微鏡進行觀察。結果發現,這些粒子形成的凝膠因為構成了二十面體結構而無法形成結晶。

  玻璃態物質的發現和應用及其相關研究已經經曆了漫長的歷史並且取得了豐碩的成就,然而,有關玻璃態物質的本質和基本規律仍存在諸多問題值得人們繼續深入思考。也許在不久的將來,關於玻璃如何形成、如何流動,科學家會給我們一個滿意的答案。

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